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與紅外光譜相比,拉曼光譜的適用性更好。拉曼光譜技術(shù)具有重復(fù)性強(qiáng)、無需制樣或制樣簡(jiǎn)單、對(duì)水溶液樣品有極佳的適用性、與樣品接觸少以及靈敏度高等優(yōu)點(diǎn),這使得實(shí)現(xiàn)快速無損檢測(cè)成為可能。

近年來,隨著人民生活水平的不斷提高,食品行業(yè)蓬勃發(fā)展,而致病菌、毒素、農(nóng)藥殘留、重金屬、有害物質(zhì)、摻假物以及非法食品添加劑等食品污染物所引發(fā)的食品安全事件層出不窮,對(duì)人民生命健康構(gòu)成了嚴(yán)重威脅。光譜技術(shù)因其無損、快速、靈敏、便攜等諸多優(yōu)點(diǎn)受到廣泛關(guān)注,主要包括紅外光譜與拉曼光譜。與紅外光譜相比,拉曼光譜的適用性更好。由于入射光與分子運(yùn)動(dòng)之間的相互作用,散射光波長(zhǎng)相對(duì)于入射光發(fā)生改變,該現(xiàn)象被命名為“拉曼散射”,所得光譜為“拉曼光譜”,可用于鑒別和分析樣品的化學(xué)成分和分子結(jié)構(gòu),也稱為“分子指紋圖譜”。拉曼光譜技術(shù)具有重復(fù)性強(qiáng)、無需制樣或制樣簡(jiǎn)單、對(duì)水溶液樣品有極佳的適用性、與樣品接觸少以及靈敏度高等優(yōu)點(diǎn),這使得實(shí)現(xiàn)快速無損檢測(cè)成為可能。

圖1拉曼光譜技術(shù)在食品污染物檢測(cè)中的應(yīng)用

01拉曼光譜技術(shù)原理

拉曼光譜可以在簡(jiǎn)單的激光照射下提供分析物的分子振動(dòng)特征信息。在拉曼散射中,散射光與入射光的能量不同,其中入射光光子能量的損失稱為斯托克斯散射,入射光光子能量的增益稱為反斯托克斯散射(圖2a)。

在表面增強(qiáng)拉曼散射(surfaceenhanced Raman scattering,SERS)中,普遍認(rèn)為存在電磁場(chǎng)和化學(xué)增強(qiáng)兩種機(jī)制(圖2b)。

在空間偏移拉曼光譜技術(shù)(spatiallyoffset Ramanspectroscopy,SORS)中,樣品內(nèi)部深層處產(chǎn)生的拉曼散射光子相比于樣品表層的光子在散射過程中更易于橫向遷移(圖2c),因此,隨著橫向偏移量的增加,返回的拉曼信號(hào)中,表面貢獻(xiàn)逐漸減少,深層貢獻(xiàn)逐漸增加。在光入射點(diǎn)偏移一定位置處收集返回的拉曼光譜信號(hào),該信號(hào)將更多地包含樣品深層信息。

a:拉曼散射;b:表面增強(qiáng)拉曼散射；c:空間偏移拉曼散射;△S:空間偏移。圖2拉曼光譜技術(shù)基本原理示意圖

02拉曼技術(shù)在食品安全檢測(cè)中的應(yīng)用

傳統(tǒng)拉曼光譜可以對(duì)待測(cè)物進(jìn)行定性分析,并且由于拉曼光譜強(qiáng)度與待測(cè)物濃度有關(guān),拉曼技術(shù)還可以進(jìn)行定量分析檢測(cè)。近年來,納米技術(shù)、傳感技術(shù)、便攜拉曼設(shè)備開發(fā)以及智能數(shù)據(jù)處理算法的快速發(fā)展推動(dòng)了各類先進(jìn)拉曼技術(shù)的進(jìn)步,包括SERS、SORS和表面增強(qiáng)空間偏移拉曼光譜(SESORS),這使得它們的操作和功能更能滿足食品安全的檢測(cè)需求和更加適用于各種檢測(cè)場(chǎng)景。

傳統(tǒng)拉曼光譜

在傳統(tǒng)拉曼光譜檢測(cè)中,激光源直接照射到樣品上,無需對(duì)技術(shù)進(jìn)行任何修改。可以通過結(jié)合化學(xué)計(jì)量學(xué)方法,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)描述、定性分析(判別、分類、聚類)和定量分析。拉曼光譜與化學(xué)計(jì)量學(xué)組合可以適用于各種不同檢測(cè)對(duì)象。利用拉曼光譜聯(lián)合多變量校準(zhǔn)方法,無需樣品提取步驟即可檢測(cè)出大量玉米赤霉烯酮污染,對(duì)于快速篩選和早期檢測(cè)非常有用。利用主成分分析對(duì)液態(tài)和固態(tài)培養(yǎng)下的大腸桿菌、蠟樣芽孢桿菌、金黃色葡萄球菌和鼠傷寒沙門氏菌的拉曼光譜進(jìn)行了微小變化區(qū)分。此外,該研究將鋁替代載玻片進(jìn)行拉曼光譜分析,發(fā)現(xiàn)鋁載玻片光譜不會(huì)干擾細(xì)菌樣品拉曼信號(hào)的平面指紋

SERS表面增強(qiáng)拉曼散射

盡管傳統(tǒng)拉曼和化學(xué)計(jì)量學(xué)結(jié)合在食品安全檢測(cè)方面具有許多優(yōu)勢(shì),但是許多分子的拉曼散射強(qiáng)度本質(zhì)上是弱的。相較于普通的拉曼信號(hào),SERS可達(dá)到約5~6個(gè)數(shù)量級(jí)的提高。SERS可分為無標(biāo)記和標(biāo)記檢測(cè),其中標(biāo)記檢測(cè)需要在SERS底物中引入拉曼信標(biāo)分子,并通過抗原與抗體、生物素與親和素以及適配體等特定識(shí)別元件實(shí)現(xiàn)檢測(cè)特異性。

圖3表面增強(qiáng)拉曼散射

圖4基于SERS技術(shù)的果蔬表面農(nóng)藥殘留的快速無損檢測(cè)

ROS空間偏移拉曼光譜

在系統(tǒng)的光學(xué)結(jié)構(gòu)上,光譜儀器的激光入射焦點(diǎn)與光譜收集系統(tǒng)的焦點(diǎn)在樣品表層空間上偏移一定的距離,故稱“空間偏移拉曼光譜”。SORS的應(yīng)用首先是在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域,隨后由于其對(duì)樣品深層檢測(cè)的巨大潛力廣泛應(yīng)用于化工生產(chǎn)、生物醫(yī)學(xué)、國(guó)防安全、考古鑒定、食品安全、稽查打假等諸多領(lǐng)域。其深層檢測(cè)的能力,可以解決拉曼技術(shù)在不透明包裝食品和食品內(nèi)部污染物檢測(cè)中的局限性。

圖5SORS技術(shù)原理圖

表1SERS技術(shù)在食品污染物檢測(cè)中的應(yīng)用概述

03結(jié)論

結(jié)合化學(xué)計(jì)量學(xué),拉曼技術(shù)是強(qiáng)大的分析檢測(cè)工具,用于從復(fù)雜物質(zhì)的光譜數(shù)據(jù)中提取定性和定量的化學(xué)信息。應(yīng)用功能納米材料作為增強(qiáng)基底即可在食品加工過程的各個(gè)方面對(duì)食品污染物進(jìn)行快速、簡(jiǎn)便和高靈敏度的痕量檢測(cè)分析。應(yīng)用功能納米材料作為增強(qiáng)基底即可在食品加工過程的各個(gè)方面對(duì)食品污染物進(jìn)行快速、簡(jiǎn)便和高靈敏度的痕量檢測(cè)分析。小型便攜化拉曼體系、高性能SERS襯底、有效的光譜分析算法和融合技術(shù)的發(fā)展將進(jìn)一步提升拉曼技術(shù)在食品質(zhì)量安全檢測(cè)中的潛力,并推動(dòng)這些技術(shù)從實(shí)驗(yàn)室到實(shí)際安全監(jiān)管中的應(yīng)用。